L'interaction d'un plasma avec une impulsion laser-intense suscite de plus en plus d'intérêt du fait des progrès en matière de technologie laser d'outils numériques. La réaction du rayonnement affecte la dynamique des électrons, celle du rayonnement synchrotron, ainsi que celle des ions via le champ de séparation de charge, pour des intensités laser supérieures à 10puissance22 W/CM2. les équations cinétiques régissant le transport de particules à ultra-haute intensité ont été obtenues. La réaction du rayonnement implique la contraction du volum de l'epace des phases des électrons A l'aide de simulations numériques nous avons démontré la forte rétro-action que les effets collectifs induisent sur le rayonnement synchrotron généré par les électons accélérés. L'importance des effets collectifs dépend fortement de la masse des ions et de l'épaisseur du plasma considéré. Ces effets pourraient être vérifiés expérimentalement avec des cibles cryogéniques d'hydrogène. / Résumé en anglais

Cette thèse s'inscrit dans le contexte général des propriétés radiatives de la matière à haute densité d'énergie (>1011 J/cm3). Les densités d'énergie de la MHDE font qu'une partie importante des échanges d'énergie passe par l'interaction rayonnement-matière. Mes études portent sur l'opacité spectrale, un paramètre fondamental pour la modélisation des intérieurs stellaires et qui constitue aussi une observable propice aux tests expérimentaux des descriptions théoriques de la physique des plasmas chauds et denses. Mes travaux de thèse sont centrés sur l'étude expérimentale des opacités de plasmas à l'équilibre thermodynamique local pour des températures de quelques dizaines d'eV (soit quelques 100 000 K) et quelques mg/cm3 en densité. Les plasmas sont obtenus dans des conditions aussi homogènes que possible en utilisant le chauffage radiatif d'une cavité irradiée par laser de haute énergie, 100-300 J. Ainsi, nous avons pu mettre à profit pour ce type de mesure la configuration utilisant des lasers nanoseconde et picoseconde du LULI (Laboratoire pour l'Utilisation des Lasers Intenses) pour réaliser le chauffage d'une part et la mesure sur un temps bref d'autre part de la transmission des plasmas, l'utilisation d'impulsions courtes constituant une première pour ce type d'expériences. Dans le domaine des X de l'ordre du keV, les transitions absorbantes 2p−3d ou 3d−4f d'éléments de numéro atomique moyen ou élevé ont été sondées. Elles font apparaitre des structures d'absorption dont la forme résulte principalement de la compétition entre l'éclatement spin-orbite et les effets d'élargissement statistiques. Il a été montré que cette compétition dépendait fortement du numéro atomique Z. Ainsi à paramètres plasma proches nous avons exploré l'opacité des éléments fer, nickel, cuivre et germanium (Z autour de 30) dans une première série de mesures puis celle du baryum, samarium et du gadolinium, dans une seconde expérience (Z autour de 60). L'astrophysique stellaire nécessite aussi de mesurer précisément, et de manière bien caractérisée, les opacités du groupe du fer (Cr, Fe, Ni et Cu) dans le domaine des XUV (50 − 200 eV). Ces opacités sont à l'origine de l'excitation dans les enveloppes radiatives des étoiles pulsantes massives de type spectral B pour une température de l'ordre de 200 000 K. Dans ces conditions, les moyennes de Rosseland présentent des différences nettes entre les calculs utilisés par la communauté astrophysique et ne permettent pas d'interpréter les oscillations et l'ensemble des fréquences observées de manière univoque. Pour permettre des comparaisons avec divers calculs spectraux, j'ai participé à la mise en place d'un nouveau schéma expérimental à deux cavités dont le but était d'améliorer l'homogénéité du chauffage des échantillons. Je montrerai enfin l'analyse des paramètres plasmas pour ce type de schéma. J'ai en particulier analysé le cas du nickel dont la transmission a été mesurée pour la première fois dans cette gamme spectrale. Dans chaque cas je présenterai l'analyse des résultats obtenus.

Cette thèse constitue une étude théorique et numérique sur l'accélération d'ions à haute énergie dans l'expansion d'un plasma créé par laser. Les faisceaux d'ions émis en face arrière d'une cible irradiée présentent des caractéristiques (laminarité, faible divergence, largeur des spectres) qui les distinguent de ceux provenant de la face avant. Ces caractéristiques ouvrent la voie à de nombreuses applications telles que la protonthérapie ou la radiographie de protons. L'accélération des ions s'effectue via un champ électrostatique auto-consistant résultant de la séparation de charges entre les ions et les électrons chauds. La première partie du mémoire présente le modèle théorique fluide ainsi que le code de simulation hybride décrivant l'expansion du plasma. La modélisation numérique d'une récente expérience de sondage du champ d'expansion par faisceaux de protons permet de valider le modèle exposé. L'influence d'un gradient initial de densité sur l'efficacité de l'accélération est abordée dans le seconde partie. Nous établissons un modèle qui retrace la dynamique du plasma et plus particulièrement le déferlement du flot ionique. Les réseaux de courbes qui prévoient une nette dégradation de l'énergie maximale des protons pour de grandes longueurs de gradient sont en accord avec les résultats expérimentaux. L'hypothèse d'un équilibre de Boltzmann électronique, supposé dans le modèle guide, est remise en cause dans la troisième partie où les électrons suivent une description cinétique. La nouvelle version du code permet d'évaluer l'écart à la loi de Boltzmann, qui ne modifie pas cependant de manière significative l'énergie maximale acquise par les ions.

Les progrès réalisés tant sur les chaînes laser infrarouges, que dans la maîtrise et la compréhension des sources X-UV pompées par laser ont permis la construction d'une station laser X-UV dédiée aux applications à l'Université Paris XI. Mon travail de thèse s'inscrit dans le développement de cette station et plus particulièrement sur la caractérisation d'un amplificateur plasma laser X-UV.<br />L'étude expérimentale concerne l'amélioration du couplage du laser infrarouge de pompe avec le plasma dans le cadre de la génération d'un laser X-UV en régime collisionnel transitoire. Ces lasers X-UV sont générés dans un plasma formé par l'interaction d'une cible solide et d'une impulsion laser d'environ 500 ps de durée, suivie d'une seconde impulsion laser infrarouge dite de pompe (~5ps) arrivant sur la cible en incidence rasante. Pour la première fois, une étude paramétrique complète a été entreprise sur l'influence de l'angle de rasance sur la création du milieu amplificateur. Un des résultats de cette étude a été d'atteindre des brillances pics très élevées de l'ordre de 1 x 10^{28} photons/s/mm²/mrad²/(0.1%bandwidth), comparables aux brillances des lasers à électron libres. De plus, nous avons modifié puis utilisé un nouveau code hydrodynamique bidimensionnel eulérien à mailles raffinées dynamiquement au cours du temps (AMR) afin de comprendre l'influence des propriétés spatio-temporelles du laser infrarouge sur la formation et l'évolution du plasma amplificateur. Nos modélisations ont mis en évidence l'intérêt d'utiliser un profil super gaussien pour la ligne focale produisant une augmentation d'un facteur deux de la dimension de la zone de gain et une réduction des gradients de densité de<br />trois ordres de grandeur. Ces améliorations devraient accroître fortement l'énergie contenue dans le faisceau laser X-UV.<br />L'amélioration de la connaissance de la physique des matériaux ou des biomolécules tirera profit de l'outil que le rayonnement laser dans le domaine X-UV est en passe de devenir. Nous avons ainsi utilisé le laser X-UV pour étudier l'apparition de défauts transitoires produits par un laser IR en face arrière d'un miroir. Nous avons aussi débuté des recherches sur les mécanismes d'endommagement de l'ADN lors de son irradiation par un rayonnement X-UV très intense.

Accurate single-shot visualization of laser wakefield structures can improve our fundamental understanding of plasma-based accelerators. Previously, frequency domain holography (FDH) was used to visualize weakly nonlinear sinusoidal wakes in plasmas of density n[subscript e] < 0.6 × 10¹⁹/cm³ that produced few or no relativistic electrons. Here, I address the more challenging task of visualizing highly nonlinear wakes in plasmas of density n[subscript e] ~ 1 to 3× 10¹⁹/cm³ that can produce high-quality relativistic electron beams. Nonlinear wakes were driven by 30 TW, 30 fs, 800 nm pump pulses. When bubbles formed, part of a 400 nm, co-propagating, overlapping probe pulse became trapped inside them, creating a light packet of plasma wavelength dimensions--that is, an optical "bullet"--that I reconstruct by FDH methods. As ne increased, the bullets first appeared at 0.8 × 10¹⁹/cm³, the first observation of bubble formation below the electron capture threshold. WAKE simulations confirmed bubble formation without electron capture and the trapping of optical bullets at this density. At n[subscript] >1× 10¹⁹/cm³, bullets appeared with high shot-to-shot stability together with quasi-monoenergetic relativistic electrons. I also directly observed the temporal walk-off of the optical bullet from the beam-loaded plasma bubble revealed by FDH phase shift data, providing unprecedented visualization of the electron injection and beam loading processes. There are five chapters in this thesis. Chapter 1 introduces general laser plasma- based accelerators (LPA). Chapter 2 discusses the FDH imaging technique, including the setup and reconstruction process. In 2006, Dr. N. H. Matlis used FDH to image a linear plasma wakefield. His work is also presented in Chapter 2 but with new analyses. Chapter 3, the main part of the thesis, discusses the visualization of LPAs in the bubble regime. Chapter 4 presents the concept of frequency domain tomography. Chapter 5 suggests future directions for research in FDH. / text

La présence simultanée de plusieurs plasmas le long de la trajectoire d'un faisceau laser énergétique est susceptible de modifier de manière importante le comportement des instabilités paramétriques par rapport au cas où un seul plasma est présent. Afin d'identifier les différents effets pouvant intervenir dans ce type de situation, un système de cible double dont l'écartement est ajustable a été développé, la première cible étant une mousse de faible densité et la seconde une feuille de plastique. Une partie de cette thèse est consacrée à la caractérisation de l'interaction dans les mousses seules, cette dernière étant encore peu connue à l'heure actuelle pour de si faibles densités. Dans le cas d'interaction en présence de deux plasmas, nous analysons successivement trois effets : celui du mélange hydrodynamique des deux plasmas, celui de l'incohérence induite par plasma et enfin celui du couplage électromagnétique entre les deux plasmas. Pour la première fois, il a été mis en évidence que l'incohérence induite par plasma sur un faisceau conduisait à la réduction de la rétrodiffusion Brillouin dans un plasma séparé. En revanche, cette incohérence ne parvient plus à compenser les effets hydrodynamiques se produisant par collision des plasmas lorsque ceux-ci sont suffisamment proches. Le couplage électromagnétique entre les plasmas affecte plus particulièrement la rétrodiffusion Raman, lorsque la rétrodiffusion du plasma de feuille traverse le plasma de mousse. Outre une réamplification du signal rétrodiffusé qui est un phénomène recherché dans l'amplification d'impulsions laser en milieu plasma, nous avons observé le développement de l'instabilité Raman dans une zone de plasma dominée par l'amortissement Landau ce qui est la signature d'effets cinétiques importants.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre de l'astrophysique de laboratoire. Nous abordons divers aspects de la physique des chocs non-collisionels en présence de flots de plasma relativistes dans des configurations d'intérêt pour les communautés astrophysique et de l’interaction laser-plasma (ILP). Notre approche repose sur la modélisation analytique et la simulation cinétique haute-performance, outil central pour décrire les processus d'ILP et la physique non linéaire à l'origine des chocs étudiés. Le code Particle-in-Cell SMILEI a été largement utilisé et développé au cours ce travail. Trois configurations physiques sont étudiées. L’instabilité Weibel en présence de faisceaux d'électrons contre-propagatifs alignés avec un champ magnétique externe est décrite. Les phases linéaires et non linéaires sont expliquées à l’aide de modèles théoriques confirmés par des simulations. La génération de chocs non-collisionels lors de l’interaction de deux plasmas relativistes de paires est étudiée en présence d’un champ magnétique perpendiculaire. L’accent est mis sur la comparaison des prédictions théoriques sur les grandeurs macroscopiques avec les simulations, ainsi que sur la définition du temps de formation du choc, l’ensemble de ces grandeurs étant d’une grande importance pour de futures expériences. Enfin, nous proposons un schéma permettant de recréer, en laboratoire, l’instabilité Weibel ionique par l'utilisation d'un laser intense. Les flots de plasmas produits ici sont plus rapides et denses que dans les expériences actuelles, conduisant à un taux de croissance et des champs magnétiques plus élevés. Ces résultats sont également important pour l’ILP à très haute intensité. / The work presented in this thesis belongs to the general framework of Laboratory Astrophysics. We address various aspects of the physics of collisionless shocks developing in the presence of relativistic plasma flows, in configurations of interest for the astrophysical and the laser-plasma interaction (LPI) communities. The approach used throughout this thesis relied on both analytical modeling and high-performance kinetic simulations, a central tool to describe LPI processes as well as the non-linear physics behind shock formation. The PIC code SMILEI has been widely used and developed during this work. Three physical configurations are studied. First we consider the Weibel instability driven by two counter-streaming electron beams aligned with an external magnetic field. The linear and non-linear phases are explained using theoretical models confirmed by simulations.Then the generation of non-collisional shocks during the interaction of two relativistic plasma pairs is studied in the presence of a perpendicular magnetic field. We focus on the comparison of theoretical predictions for macroscopic variables with the simulation results, as well as on the definition and measurement of the shock formation time, all of which are of great importance for future experiments.Finally, we proposed a scheme to produce, in the laboratory, the ion-Weibel-instability with the use of an ultra-high-intensity laser. The produced flows are faster and denser than in current experiments, leading to a larger growth rate and stronger magnetic fields. These results are important for the LPI at very high intensity.

L'utilisation de plasmas comme milieu amplificateur d'impulsions laser intenses pourrait permettre de surmonter les limites de la technologie actuelle en termes de l'intensité maximum réalisable. Par l'intermédiaire d'une oscillation de plasma, l'énergie d'une longue impulsion laser de pompe peut être transférée à une impulsion courte (« seed »). La rétrodiffusion Brillouin a le potentiel pour devenir un processus d'amplification robuste. Dans cette thèse, nous présentons des études théoriques et numériques visant à mieux comprendre le rôle de chaque paramètre du plasma et de la pompe sur le mécanisme d'amplification: forme et longueur du profil de densité, durée de la pompe, retard relatif entre la pompe et le seed, et chirp (dérive en fréquence) de la pompe. Nous montrons une première description complète de l'évolution dans le temps et dans l'espace des phases de la pompe, du seed et de la perturbation de densité plasma, qui déterminent le sens du transfert d'énergie entre les faisceaux laser et l'efficacité de l'amplification. Afin de proposer et d'améliorer les schémas expérimentaux actuels, une comparaison est effectuée avec les expériences récentes. / The use of plasma as an amplification medium is currently discussed because it can overcome current solid-state technology limitations in terms of maximum achievable intensity. Via parametric scattering off a plasma oscillation the energy from a long pump pulse can be transferred into a short seed pulse. Brillouin scattering has the potential to become a robust amplification process. In this thesis we present theoretical and numerical (PIC) studies aimed at better understanding the role of each plasma parameter on the amplification mechanism: the interaction length, the shape of the density profile, the duration of the long pump signal, the relative delay between the seed and pump signals, the chirp of the long pump laser pulse. For the first time we show complete description of the time and space evolution of the phases of the pump, seed and plasma density perturbation that dictate the energy flow transfer between the pump and seed laser beams and the efficiency of amplification. In order to propose and improve nowadays experimental set-ups, a comparison with recent experiments is performed.

Modern particle accelerators are a key component of today’s research landscape and indispensable in industry and medicine. In special application areas, the portfolio of these facilities will be expanded by laser-driven compact plasma accelerators that generate short, high-intensity pulses of ions with unique beam properties. Though intensely explored by the community, scaling the maximum beam energies of laser-driven ion accelerators to the required level is one of the most significant challenges of this field. This endeavor is inherently linked to a fundamental understanding of the underlying acceleration processes. The prospect to efficiently increase the beam energy relies on the ability to control the accelerating field structures beyond the well-established acceleration from the stationary target rear side. However, manipulating the interaction in such micrometer-sized accelerators proves to be challenging due to the transient nature of the plasma fields and requires precise tuning of the temporal laser pulse shape and the volumetric density distribution of the plasma target to a level that could so far not be achieved. This thesis investigates laser-proton acceleration using a cryogenic hydrogen target that combines the capabilities of predictive three-dimensional simulation and the in-situ realtime monitoring of the density distribution in the experiment to explore the fundamental physical principles of plasma based acceleration mechanisms. The corresponding experiments were performed at the DRACO laser facility at the Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf. The key to the success of these studies was the advancement of the cryogenic target system that generates a self-replenishing pure hydrogen jet. Using a mechanical chopping device, which protects the target system from the disruptive influence originating from the high-intensity interaction, allowed, for the first time, systematic experiments with a large number of laser shots in the harsh environment of the ultra-short pulse DRACO petawatt laser. The performance of a cylindrical hydrogen jet can be substantially optimized by a flexible all-optical tailoring of the target profile. Guided by real-time multi-color probing, the target density, the decisive parameter of the interaction, was scanned over two orders of magnitude allowing the exploration of different advanced acceleration regimes in a controlled manner. This approach led to the experimental realization of proton beams with energies up to 80 MeV and application relevant high particle yield from advanced acceleration mechanisms occurring in near-critical density plasmas, a regime so far mostly investigated in numerical studies. Besides cylindrical jets, the formation of thin hydrogen sheets was studied to gain insight into the fluid and crystallization dynamics that can be used to tailor the target shape for laser-proton acceleration. Using these jets, the onset of target transparency was explored, a regime that promises increased proton energies when optimized. Furthermore, after irradiation of the hydrogen jet with a high-intensity laser pulse, an unexpected axial modulation in the plasma density distribution was observed that can play a role in structuring the proton beam profile. This modulation is caused by instabilities that originate from the laser-plasma interaction, for example due to laser-driven return currents or the plasma expansion dynamics.

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